数控机床龙门坐标同步研究

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一、 前言
由于机床本身结构的需要，保证机床的整体刚性以及长导轨的稳定性，因此对于同一个坐标采用同步电机驱动，是当今机床厂普遍采用的方法。有助于提高伺服系统的刚性，克服单丝杠引起的位置偏差，避免弹性变形，确保机床的高精度。
二、功能简介
同步轴功能一般用在2个或多个机械连接的机床坐标，该坐标没有机械偏移；在编程的基础上，定义一个同步的坐标。
同步移动时，系统检测位置的当前值，是否在系统设定的误差范围之内。当同步附属轴偏离主动轴位置范围之外的话，系统会停止所有的坐标移动，有效防止由于不同步对机床机械部分进行的损坏。
8 h( \; ]/ o7 F2 G" y同步轴功能的目的是为了严格检测坐标在导轨上的移动精度。
三、 应用
同步轴功能用于大型龙门铣床的龙门同步功能，每一边都由自己本身的位置测量循环系统。由于机械硬件连接需要，两个驱动必须绝对同步，已保证机械应力变形。一个同步组由一个主导轴和最多2个从动轴组成。
四、硬件组织和同步定义
1 ~2 X$ f/ S  g3 v, U大型数控龙门铣床是由多个坐标单元组成（见下图）。每个坐标驱动都是单独的驱动系统，有自己的测量循环，组成一个完整的坐标系统。当机械坐标移动时，如图两组坐标X和X1，Z和Z1必须保证完全同步，否则会对机械部件造成损害。

" ]- c  k: P2 f8 ]5 r9 H9 k% ], Z% `4．1关键词含义：
$ c  k0 k9 R8 ]( J8 K  q" I①同步轴组
7 M: F+ h6 u# Z7 O同步轴组由至少一对坐标组成，包含一个主动轴和一个从动轴，这些轴都为机械连接。移动时必须同时由NC控制移动。所不同的是两个坐标位置检测系统都是单独的。
②主动轴
5 W# z) d5 J- z2 D2 U) l主动轴是NC控制的普通的机械坐标，可对其进行零件编程的直线或旋转轴。轴名是由同步组进行定义的。
4 J# |" W* O; g( \/ U6 @( u( o: m③从动轴
- w/ ^( t; E, k, ?3 ^+ P5 f& D从东轴也是由NC进行控制，但它总是随着主动轴的移动进行移动。轴名也是由同步组进行定义的。
1 W# A/ j# b2 z3 |4．2坐标定义
- I: G. i8 l/ B8 v坐标定义是由机床数据GANTRY_AXIS_TYPE来定义的:定义坐标是否属于同步组内，以及是主动轴还是从动轴。每组同步轴组都是由一个主动轴，和最多2个从动轴组成。
4．3同步轴组的条件
同步轴组不能包含主轴
从动轴不能是定位轴
' e+ \, R7 U' {3 c" Q& e从动轴不能是另外一个同步轴组的轴名
同步轴组的坐标，每个坐标诸如匹配速度，加速度和动态响应时间等必须一致
4．3同步组实际坐标值误差监控
" V) I  U5 T$ r5 W同步轴警示限制
5 w: q" F6 `" H, V' A主动轴与从动轴超出警示范围，NC系统输出报警信息：超出极限范围。同时PLC输出信号，使机床停止自动运行。
5 E  |- B4 `1 C7 X5 k/ n/ g同步轴行程限制
( a1 k- E4 T9 z4 q$ u4 d4 X; ~) u同步轴组超出行程范围。
/ V1 a# j& q) i" m; e, X五、同步轴的参考点和同步设定
5．1主动轴的参考点设置方法
5 g9 Y- e9 y, O* O& t坐标的参考点设定由PLC的DB块进行，要根据坐标驱动类型，进行PLC的指定回参考点编程。启动该功能。启动方法为将PLC“Activate referencing” = 1 和“Active machine function REF” = 1） “Traversing key +/–” （DB31, ... ; DBX4.7/4.6）设置为1。
5．2从动轴的参考点设置方法
, d- u- u- x$ |7 Y当主动轴回参考点完成后，从动轴将自动回参考点。从动轴的参考点是由主动轴决定的。不能单独进行从动轴的回参考电动作。
5．3回参考点后同步轴组将根据NC编程要求自动运行。
  ^( V" j2 s& m1 i) L六、与同步相关的机床资料
( q2 A; u  I) M. K3 S. m; ~6．1
MD NO. 37100 GANTRY_AXIS_TYPE
7 ~+ ~# I1 U# w  Y7 o该机床数据是用来定义2组同步基本特性：该坐标是否属于同步组内坐标，是哪一个坐标（主动轴或从动轴）。具体位设置如下图：
$ a, l: r8 C8 N5 ^0 ]$ `: H( a9 C& D5 g- h
( `0 @- B4 f# N# N& G, I: Y对于840D系统，可以配置最多3个同步组。一个同步组必须要由一个主动轴和最少一个从动轴组成。同组的轴不能再重复使用，如果定义错误，控制系统将输出“INCORRECT GANTRY MACHINE DATA”信息，提示机床同步组配置错误。
! l4 N7 C; P. ^8 e! s  v8 |: m该配置举例如下：
0        没有同步轴
% t1 U; H' I) h( i/ G  |1        同步轴组1中的主动轴
6 |$ {. W$ l0 `0 ?4 e& R- B* H11        同步轴组1中的从动轴
2         同步轴组2中的主动轴
4 s7 f/ v7 K' [3 R" @8 ]- p( W  A% J12        同步轴组2中的从动轴
- I0 V! H: `2 m# a) ?3         同步轴组3中的主动轴
13        同步轴组3中的从动轴
' M/ B7 ]6 I+ H* @- o8 u  Z+ n6．2
: {/ l* c+ m6 a8 E& Q  FMD NO. 37110 GANTRY_POS_TOL_WARNING和37120 GANTRY_POS_TOL_ERROR
+ B% \5 m0 e( Q5 {* ]0 J: X这两个数据是为机床同步服务，保证机床坐标的正常同步精度，以完成机床的同步运动，并相关的输出信息以提示是否超出机床同步的范围。
$ H) R3 u1 C" X! O5 h) j定义这些数据后，机床同步就可以试运行。
8 T/ d2 C6 @$ r4 `- Q/ L4 ~, s8 u( C# ^七、同步轴信号描述
7．1NC控制坐标轴的信号描述
9 z2 \9 ^; Y% G: y* V2 r, `( ^1．开始同步组信号DB 31, ... DBX29.4 ; Start gantry synchronization
使机床同步开始运行，并保证同步误差在允许范围之内，否则此信号置0。
2．开始自动同步组信号DB 31, ... DBX29.5 ; Start automatic synchronization
* i; l5 ^2 N* L7 A+ ~开始自动运行同步组，与上个信号同类。
7．2来自坐标轴的信号描述
1．同步移动误差极限DB 31, ... DBX101.2 ; Gantry trip limit exceeded
系统发出的是否同步信号。由PLC接受并处理。
, ]% O6 F% ^0 r' P! p! Q  ]/ U2．同步警示极限DB 31, ... DBX101.3; Gantry warning limit exceeded
同上。
3．同步轴同步开始DB 31, ... DBX101.4; Gantry synchronization ready to start
: f: @6 H: O4 d/ ^' y) [1 t4．同步轴组正在同步DB 31, ... DBX101.5; Gantry grouping is synchronized
- [+ y4 o2 v" d+ j! e: |' G6 g2 `具体坐标同步信号如下表：
! e" E# o8 Z$ u/ D: XDB号
位
内容
通用信号
+ x+ Z" o5 Y' z0 p11－14
5.2
$ B+ y1 ?2 r# ]+ ^$ c. w, W启动机床REF功能
1 g+ ]5 C$ A0 q9 C$ B/ w信道信号
21－28
33.0
5 L# I* @8 F1 G& \* O8 k0 r参考点启动
3 \3 g! S5 H6 d0 T. X: y坐标信号
31, ... ;
% @" N7 v3 E" |1 W60.4，60.5
同步参考点
# L/ F% \  D( l1 E; ?4 l9 s) U31, ... ;
$ Y! d  u# e: ~- s( S9 D29.4
开始同步信号
1 ~9 U. X7 u" U: e31, ... ;
7 K* L+ O' S* l29.5
6 w8 A" {, w' p5 {6 a没有自动同步
31, ... ;
101.2
同步行程极限
, s* h' p/ H& V& Q* H  O3 V31, ... ;
101.3
' F7 v  B# f3 C1 s同步警示极限
31, ... ;
101.4
9 P8 Z. y# s, }+ i% }同步准备好
4 q( `" b- Z( Y31, ... ;
101.5
同步组已同步
; v% Y1 j9 Z/ e' K4 p31, ... ;
101.6
同步组轴准备好
八、建立一个同步轴组
群组定义：坐标1＝主动轴      采用增量测量回馈循环
坐标3＝从动轴      采用增量测量回馈循环
0 ^  x& C! N5 Z0 v% Y9 r第一步：修改以下机床数据
* t0 }7 O9 H5 `% m1 n. x& d7 ]
8 y" G9 p% r* n: Y) J4 d8 h第二步：设置NCK PLC接口信号
$ L6 q: i" G4 f6 v! jPLC程序的设置：
axis1 设置：
4 z, M- |3 X# }' mDB31, ... ; DBX 29.4 = 0
DB31, ... ; DBX 29.5 = 1
' w1 F4 C" }( qAxis3置：
0 e  s1 ]# f8 D5 c0 ODB31, ... ; DBX 29.4 = 0
机床准备好信号设置：
" _( y% W" p1 T; _& x$ U0 GDB31, ... ; DBB101
第三步：设定MD 37110: GANTRY_POS_TOL_WARNING和
, y& f0 x1 V' D# d6 N37120: GANTRY_POS_TOL_ERROR 为坐标的最大值
参考点设置MD 37130: GANTRY_POS_TOL_REF
此坐标数据的大小及关联如下：
" x2 y4 g# X8 `7 v( i' [第四步：设置完成，调整机床参数匹配。
九、结束语
0 b) g' Q" R/ f; T& l+ W机床坐标同步是实际应用中实用的基础技术，要根据所采用的机床刚性和结构，采用不同的配置，才能达到所要达到的机床精度要求。
文章关键词： 数控机床